Uma antena é um dispositivo que serve de interface entre um circuito elétrico e o espaço, projetado para transmitir e receber ondas eletromagnéticas em uma determinada faixa de frequência de acordo com seu próprio tamanho e forma. É feito de metal, principalmente cobre ou alumínio, as antenas transmissoras podem converter a corrente elétrica em radiação eletromagnética e vice-versa. Cada dispositivo sem fio contém pelo menos uma antena.
Ondas de rádio de rede sem fio
Quando surge a necessidade de comunicação sem fio, uma antena é necessária. Ele tem a capacidade de enviar ou receber ondas eletromagnéticas para se comunicar onde um sistema com fio não pode ser instalado.
A antena é o elemento chave desta tecnologia sem fio. As ondas de rádio são facilmente criadas e amplamente utilizadas para comunicações internas e externas devido à sua capacidade de atravessar edifícios e percorrer longas distâncias.
Principais características das antenas de transmissão:
- Como a transmissão de rádio é omnidirecional, a necessidade de correspondência físicatransmissor e receptor é necessário.
- A frequência das ondas de rádio determina muitas características de transmissão.
- Em baixas frequências, as ondas podem facilmente passar por obstáculos. No entanto, seu poder cai com o inverso do quadrado da distância.
- Ondas de frequência mais alta são mais prováveis de serem absorvidas e refletidas nos obstáculos. Devido ao longo alcance de transmissão das ondas de rádio, a interferência entre as transmissões é um problema.
- Nas bandas VLF, LF e MF, a propagação das ondas, também chamadas de ondas terrestres, segue a curvatura da Terra.
- Os alcances máximos de transmissão dessas ondas são da ordem de várias centenas de quilômetros.
- As antenas de transmissão são usadas para transmissões de baixa largura de banda, como transmissões de modulação de amplitude (AM).
- As transmissões das bandas de HF e VHF são absorvidas pela atmosfera próxima à superfície da Terra. No entanto, parte da radiação, chamada skywave, se propaga para fora e para cima em direção à ionosfera na atmosfera superior. A ionosfera contém partículas ionizadas formadas pela radiação do Sol. Essas partículas ionizadas refletem as ondas do céu de volta à Terra.
Propagação de ondas
- Propagação na linha de visão. Entre todos os métodos de distribuição, este é o mais comum. A onda percorre a distância mínima que pode ser vista a olho nu. Em seguida, você precisa usar o transmissor do amplificador para aumentar o sinal e transmiti-lo novamente. Tal propagação não será suave se houver algum obstáculo em seu caminho de transmissão. Esta transmissão é usada para transmissões de infravermelho ou microondas.
- Propagação de ondas terrestres de uma antena transmissora. A propagação da onda até o solo ocorre ao longo do contorno da Terra. Essa onda é chamada de onda direta. A onda às vezes se dobra devido ao campo magnético da Terra e atinge o receptor. Essa onda pode ser chamada de onda refletida.
- Uma onda que se propaga pela atmosfera terrestre é conhecida como onda terrestre. A onda direta e a onda refletida juntas dão um sinal na estação receptora. Quando a onda atinge o receptor, o atraso para. Além disso, o sinal é filtrado para evitar distorção e amplificação para uma saída clara. As ondas são transmitidas de um lugar e onde são recebidas por muitas antenas de transceptor.
Sistema de coordenadas de medição da antena
Ao olhar para modelos planos, o usuário será confrontado com indicadores do azimute do plano e da altura do plano do padrão. O termo azimute geralmente ocorre em relação a "horizonte" ou "horizontal", enquanto o termo " altitude" geralmente se refere a "vertical". Na figura, o plano xy é o plano azimute.
O padrão do plano azimutal é medido quando uma medição é feita movendo todo o plano xy ao redor da antena do transceptor em teste. Um plano de elevação é um plano ortogonal ao plano xy, como o plano yz. O plano de elevação percorre todo o plano yz ao redor da antena em teste.
Amostras (azimutes e elevações) geralmente são exibidas como gráficos em polarcoordenadas. Isso dá ao usuário a capacidade de visualizar facilmente como a antena irradia em todas as direções, como se já estivesse "apontada" ou montada. Às vezes é útil desenhar padrões de radiação em coordenadas cartesianas, especialmente quando há vários lóbulos laterais em padrões e onde os níveis de lóbulos laterais são importantes.
Características básicas de comunicação
As antenas são componentes essenciais de qualquer circuito elétrico, pois fornecem a interligação entre um transmissor e o espaço livre ou entre o espaço livre e um receptor. Antes de falar sobre os tipos de antenas, você precisa conhecer suas propriedades.
Antenna Array - A implantação sistemática de antenas que trabalham juntas. As antenas individuais em uma matriz são geralmente do mesmo tipo e localizadas próximas, a uma distância fixa umas das outras. A matriz permite aumentar a diretividade, controle dos feixes principais de radiação e feixes laterais.
Todas as antenas são de ganho passivo. O ganho passivo é medido em dBi, que está relacionado a uma antena isotrópica teórica. Acredita-se que transmita energia igualmente em todas as direções, mas não existe na natureza. O ganho de uma antena dipolo de meia onda ideal é 2,15 dBi.
EIRP, ou a potência isotrópica equivalente de uma antena transmissora, é uma medida da potência máxima que uma antena isotrópica teórica irradiaria na direçãoganho máximo. A EIRP leva em consideração as perdas de linhas de energia e conectores e inclui o ganho real. O EIRP permite que a potência real e as intensidades de campo sejam calculadas se o ganho real do transmissor e a potência de saída forem conhecidos.
Antena ganha nas direções
É definida como a razão entre o ganho de potência em uma determinada direção e o ganho de potência da antena de referência na mesma direção. É prática padrão usar um radiador isotrópico como antena de referência. Neste caso, um emissor isotrópico será sem perdas, irradiando sua energia igualmente em todas as direções. Isso significa que o ganho de um radiador isotrópico é G=1 (ou 0 dB). É comum usar a unidade dBi (decibéis relativos a um radiador isotrópico) para ganho relativo a um radiador isotrópico.
O ganho, expresso em dBi, é calculado usando a seguinte fórmula: GdBi=10Log (GNumeric / GISotropic)=10Log (GNumeric).
Às vezes um dipolo teórico é usado como referência, então a unidade dBd (decibéis relativos ao dipolo) será usada para descrever o ganho relativo ao dipolo. Este bloco é normalmente usado quando se trata de amplificar antenas omnidirecionais de maior ganho. Nesse caso, seu ganho é maior em 2,2 dBi. Então se a antena tiver um ganho de 3 dBu, o ganho total será de 5,2 dBi.
3 dB largura do feixe
Esta largura de feixe (ou largura de feixe de meia potência) da antena é normalmente especificada para cada um dos planos principais. A largura de feixe de 3 dB em cada plano é definida como o ângulo entre os pontos do lóbulo principal que são reduzidos do ganho máximo em 3 dB. Beamwidth 3 dB - o ângulo entre as duas linhas azuis na área polar. Neste exemplo, a largura do feixe de 3 dB neste plano é de cerca de 37 graus. Antenas de largura de feixe larga normalmente têm baixo ganho, enquanto antenas de largura de feixe estreita têm ganho mais alto.
Assim, uma antena que direciona a maior parte de sua energia para um feixe estreito, em pelo menos um plano, terá um ganho maior. A relação frente-trás (F/B) é usada como uma medida de mérito que tenta descrever o nível de radiação da parte traseira de uma antena direcional. Basicamente, a relação frente-trás é a relação entre o ganho de pico na direção para frente e o ganho de 180 graus atrás do pico. Claro, em uma escala DB, a relação frente-trás é simplesmente a diferença entre o ganho de pico para frente e o ganho de 180 graus atrás do pico.
Classificação da antena
Existem muitos tipos de antenas para diversas aplicações, como comunicações, radar, medição, simulação de pulso eletromagnético (EMP), compatibilidade eletromagnética (EMC), etc. Algumas delas são projetadas para operar em bandas de frequência estreitas, enquanto outrosprojetado para emitir/receber pulsos transientes. Especificações da antena de transmissão:
- Estrutura física da antena.
- Bandas de frequência.
- Modo App.
A seguir estão os tipos de antenas de acordo com a estrutura física:
- fio;
- abertura;
- refletivo;
- lente da antena;
- antenas de microfita;
- antenas maciças.
A seguir estão os tipos de antenas de transmissão, dependendo da frequência de operação:
- Frequência muito baixa (VLF).
- Baixa frequência (LF).
- Frequência média (MF).
- Alta frequência (HF).
- Very High Frequency (VHF).
- Ultra High Frequency (UHF).
- Super Alta Frequência (SHF).
- Onda de microondas.
- Onda de rádio.
A seguir estão as antenas de transmissão e recepção de acordo com os modos de aplicação:
- Conexão ponto a ponto.
- Aplicativos de transmissão.
- Comunicação por radar.
- Comunicação via satélite.
Recursos de design
Antenas transmissoras criam radiação de radiofrequência que se propaga pelo espaço. As antenas receptoras realizam o processo inverso: recebem radiação de radiofrequência e a convertem nos sinais desejados, como som, imagem em antenas transmissoras de televisão e um telefone celular.
O tipo mais simples de antena consiste em duas hastes de metal e é conhecido como dipolo. Um dos tipos mais comuns éuma antena monopolo que consiste em uma haste colocada verticalmente a uma grande placa de metal que serve como plano de aterramento. A montagem em veículos é geralmente um monopolo e o teto metálico do veículo serve como aterramento. O design da antena transmissora, sua forma e tamanho determinam a frequência de operação e outras características de radiação.
Um dos atributos importantes de uma antena é sua diretividade. Na comunicação entre dois alvos fixos, como na comunicação entre duas estações de transmissão fixas, ou em aplicações de radar, é necessária uma antena para transmitir diretamente a energia de transmissão ao receptor. Por outro lado, quando o transmissor ou receptor não está estacionário, como nas comunicações celulares, é necessário um sistema não direcional. Nesses casos, é necessária uma antena omnidirecional que receba todas as frequências uniformemente em todas as direções do plano horizontal, e no plano vertical a radiação é irregular e muito pequena, como uma antena transmissora de HF.
Transmissão e recepção de fontes
O transmissor é a principal fonte de radiação de RF. Esse tipo consiste em um condutor cuja intensidade varia ao longo do tempo e a converte em radiação de radiofrequência que se propaga pelo espaço. Antena receptora - um dispositivo para receber frequências de rádio (RF). Ele realiza a transmissão reversa realizada pelo transmissor, recebe radiação RF, converte em corrente elétrica no circuito da antena.
As emissoras de televisão e rádio usam antenas de transmissão para transmitir certos tipos de sinais que viajam pelo ar. Esses sinais são detectados por antenas receptoras, que os convertem em sinais e são recebidos por um dispositivo apropriado, como TV, rádio, celular.
As antenas de recepção de rádio e televisão são projetadas para receber apenas radiação de radiofrequência e não produzem radiação de radiofrequência. Dispositivos de comunicação celular, como estações base, repetidores e telefones celulares, possuem antenas de transmissão e recepção dedicadas que emitem energia de radiofrequência e atendem a redes celulares de acordo com as tecnologias de rede de comunicação.
Diferença entre antena analógica e digital:
- A antena analógica tem ganho variável e opera na faixa de 50 km para DVB-T. Quanto mais longe o usuário estiver da fonte de sinal, pior será o sinal.
- Para receber TV digital - o usuário recebe uma boa imagem ou uma imagem qualquer. Se estiver longe da fonte do sinal, não recebe nenhuma imagem.
- A antena digital transmissora possui filtros integrados para reduzir o ruído e melhorar a qualidade da imagem.
- O sinal analógico é enviado diretamente para a TV, enquanto o sinal digital precisa ser decodificado primeiro. Ele permite que você corrija erros, bem como dados como compressão de sinal para mais recursos como Extra Channels, EPG, Pay TV,jogos interativos, etc.
Transmissores Dipolo
As antenas dipolo são o tipo omnidirecional mais comum e espalham a energia de radiofrequência (RF) 360 graus horizontalmente. Esses dispositivos são projetados para serem ressonantes em metade ou um quarto de comprimento de onda da frequência aplicada. Pode ser tão simples quanto dois pedaços de fio ou pode ser encapsulado.
Dipole é usado em muitas redes corporativas, pequenos escritórios e uso doméstico (SOHO). Ele tem uma impedância típica para combiná-lo com o transmissor para máxima transferência de potência. Se a antena e o transmissor não coincidirem, ocorrerão reflexões na linha de transmissão, o que degradará o sinal ou até mesmo danificará o transmissor.
Foco direcionado
As antenas direcionais focam a potência irradiada em feixes estreitos, proporcionando um ganho significativo neste processo. Suas propriedades também são mútuas. As características de uma antena transmissora, como impedância e ganho, também se aplicam a uma antena receptora. É por isso que a mesma antena pode ser usada para enviar e receber um sinal. O ganho de uma antena parabólica altamente direcional serve para amplificar um sinal fraco. Esta é uma das razões pelas quais eles são frequentemente usados para comunicações de longa distância.
Uma antena direcional comumente usada é uma matriz Yagi-Uda chamada Yagi. Foi inventado por Shintaro Uda e seu colega Hidetsugu Yagi em 1926. A antena yagi usa vários elementos paraformando uma matriz direcionada. Um elemento acionado, geralmente um dipolo, propaga a energia de RF, os elementos imediatamente antes e atrás do elemento acionado irradiam novamente a energia de RF dentro e fora de fase, amplificando e desacelerando o sinal, respectivamente.
Esses elementos são chamados de elementos parasitas. O elemento atrás do escravo é chamado de refletor e os elementos na frente do escravo são chamados de diretores. As antenas Yagi têm larguras de feixe que variam de 30 a 80 graus e podem fornecer mais de 10 dBi de ganho passivo.
A antena parabólica é o tipo mais familiar de antena direcional. Uma parábola é uma curva simétrica e um refletor parabólico é uma superfície que descreve uma curva durante uma rotação de 360 graus - um prato. As antenas parabólicas são usadas para ligações de longa distância entre edifícios ou grandes áreas geográficas.
Radiadores seccionais semidirecionais
A antena patch é um radiador semi-direcional usando uma tira de metal plana montada acima do solo. A radiação da parte traseira da antena é efetivamente cortada pelo plano de aterramento, aumentando a diretividade para frente. Este tipo de antena também é conhecido como antena microstrip. Geralmente é retangular e envolto em uma caixa de plástico. Este tipo de antena pode ser fabricado por métodos padrão de PCB.
A antena patch pode ter uma largura de feixe de 30 a 180 graus eganho típico é de 9 dB. Antenas seccionais são outro tipo de antena semidirecional. As antenas setoriais fornecem um padrão de radiação setorial e geralmente são instaladas em uma matriz. A largura do feixe para uma antena de setor pode variar de 60 a 180 graus, sendo 120 graus típico. Em uma matriz particionada, as antenas são montadas próximas umas das outras, fornecendo cobertura total de 360 graus.
Fazendo a antena Yagi-Uda
Durante as últimas décadas, a antena Yagi-Uda tem sido visível em quase todas as casas.
Pode-se observar que existem muitos diretores para aumentar a diretividade da antena. O alimentador é um dipolo dobrado. Um refletor é um elemento longo que fica no final de uma estrutura. As seguintes especificações devem ser aplicadas a esta antena.
| Element | Especificação |
| Comprimento do elemento controlado | 0,458λ a 0,5λ |
| Comprimento do refletor | 0, 55λ - 0,58λ |
| Duração do diretor 1 | 0.45λ |
| Comprimento do diretor 2 | 0.40λ |
| Duração do diretor 3 | 0.35λ |
| Intervalo entre diretores | 0.2λ |
| Refletor para distância entre dipolos | 0.35λ |
| Distância entre dipolos e diretor | 0.125λ |
Abaixo estão os benefícios das antenas Yagi-Uda:
- Alto ganho.
- Foco alto.
- Fácil manuseio e manutenção.
- Menos energia é desperdiçada.
- Cobertura de frequência mais ampla.
As seguintes são as desvantagens das antenas Yagi-Uda:
- Propenso a ruídos.
- Propenso a efeitos atmosféricos.
Se as especificações acima forem seguidas, a antena Yagi-Uda pode ser projetada. O padrão direcional da antena é muito eficiente, como mostra a figura. Os pequenos lóbulos são suprimidos e a diretividade da batida principal é aumentada pela adição de diretores à antena.
